CN109520578B - 监测含金属材料的储氢容器中氢气含量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及储氢容器领域，公开了监测含金属材料的储氢容器中氢气含量的方法。该方法包括：获得t0时储氢容器内的初始氢气量M0，并通过气体质量流量计获得t0至监测时间点t之间储氢容器内的氢气净流入量Mt，再计算M0+Mt而获得监测时间点t时储氢容器内的氢气含量；检测储氢容器内的压力并计算压力变化率，对M0+Mt进行修正，并以修正后的M0+Mt作为初始氢气量M0重复步骤(1)，从而连续监测氢气含量。通过上述技术方案，即使在平台压力下，本发明也能够实现含金属材料的储氢容器中氢气含量的实时监测，且准确性较高，具有重要的实际应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及储氢容器领域，具体涉及监测含金属材料的储氢容器中氢气含量的方法。
背景技术
随着燃料电池技术的进步，氢能的应用越来越多，配合燃料电池使用的储氢容器的应用也越来越多，包括车载和固定式。储氢容器中氢气的量直接决定了燃料电池所能正常工作的时间，因而需要一种准确的计算储氢容器中氢气量的方法。一般地，如果单纯采用高压容器进行储氢，则氢气量的多少与储氢容器的压力正相关，通过压力和温度状态可以计算氢气的密度，进而根据储氢容器的容积可以确定储氢容器中氢气的质量。但除了高压储氢，目前应用较多的还有金属储氢或者金属储氢与高压储氢的混合储氢，因为其安全性高，储氢体积密度高，而对于金属储氢来说，其典型P-C-T特征曲线存在一个平台压力，即在这个平台压力下，随着储氢量的增加或者降低，压力变化非常小，因而不能根据储氢容器的压力来判定储氢容器中氢气的含量，无法有效实现氢气含量的实时监测。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术无法在平台压力下实时监测含金属材料的储氢容器中氢气含量的缺陷，提供一种监测含金属材料的储氢容器中氢气含量的方法。
为了实现上述目的，本发明提供了一种监测含金属材料的储氢容器中氢气含量的方法，该方法包括以下步骤：
(1)获得t0时储氢容器内的初始氢气量M0，并通过气体质量流量计获得t0至监测时间点t之间储氢容器内的氢气净流入量Mt，再计算M0+Mt而获得监测时间点t时储氢容器内的氢气含量；
(2)检测储氢容器内的压力并计算压力变化率，对M0+Mt进行修正，并以修正后的M0+Mt作为初始氢气量M0重复步骤(1)，从而连续监测氢气含量。
通过上述技术方案，即使在平台压力下，本发明也能够实现含金属材料的储氢容器中氢气含量的实时监测，且准确性较高，具有重要的实际应用价值。而且，根据压力变化率间歇性地对通过气体质量流量计计算获得的氢气含量进行修正(或校正)，能够消除流量监测所产生的累计误差，进一步提高氢气含量实时测定的准确性。
附图说明
图1是LaNi5的典型P-C-T特征曲线；
图2是根据本发明优选实施方式的方法流程图。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明提供的监测含金属材料的储氢容器中氢气含量的方法包括：
(1)获得t0时储氢容器内的初始氢气量M0，并通过气体质量流量计(或气体质量流量控制器)获得t0至监测时间点t之间储氢容器内的氢气净流入量Mt，再计算M0+Mt而获得监测时间点t时储氢容器内的氢气含量；
(2)检测储氢容器内的压力并计算压力变化率，对M0+Mt进行修正(根据压力变化率决定是否需要修正)，并以修正后的M0+Mt作为初始氢气量M0重复步骤(1)，从而连续监测氢气含量。
其中，“氢气净流入量”是指t0至监测时间点t之间储氢容器中氢气含量的变化量，即流入的量减去流出的量而得到的数值(流入的量大于流出的量时Mt为正值，流出的量大于流入的量时Mt为负值)，流入的量和流出的量分别通过积分法获得，气体质量流量计可以识别氢气的流入或流出。也就是说，气体质量流量计可以控制和识别氢气的进出或者采用气体进出两路设计，一般地，可以使用Brooks公司的气体质量流量计。
根据本发明，初始氢气量可以为任意时间点的氢气含量，但是为了进一步提高准确性，优选地，初始氢气量M0为零点(通常为估计值)或最大储氢量。其中，零点或最大储氢量可以根据金属材料储氢P-C-T曲线中的压力和/或压力变化率确定。金属材料储氢P-C-T曲线是指一定温度(如313K、333K或353K)下，氢气含量与压力之间的关系图，可以根据本领域储氢材料P-C-T曲线获得，例如，LaNi5的典型P-C-T特征曲线参见图1。
根据本发明，所述方法还包括检测储氢容器内的压力变化率，以辅助验证储氢容器中的氢气含量，特别是上述零点或最大储氢量，并基于此对借助气体质量流量计计算得到的氢气含量进行修正。因为氢气流量不是一直恒定，同时气体质量流量计的流量数据采集时间间隔的限制和流量测量的误差，会导致通过积分法获得的氢气含量中包括了累积误差，从而影响计算得出的储氢容器中氢气含量的准确性，因此可以借助压力变化率来进一步确保氢气含量的准确性。特别地，当储氢容器内的储氢量达到零点或最大储氢量时以此对通过积分法计算获得氢气含量(或M0+Mt)进行修正，从而特别有利于保证计算得到的氢气含量的准确性。修正的具体方式为：压力变化率所对应的氢气含量为储氢容器中的实时氢气含量M(实时)，而步骤(1)计算得到的M(计算)＝Mt+M0，由于上述累积误差的存在，M(实时)与M(计算)可能不同，那么以M(实时)为准校正M(计算)并以其作为初始氢气量M0重复步骤(1)，从而消除之前产生的累积误差，确保后续监测的准确性。
通过配合气体质量流量计监测和压力或压力变化率检测，无论储氢容器中的氢气含量高低，本发明均能够实现氢气含量的实时准确监测；且由于压力或压力变化率检测的修正作用，进一步提高了本发明方法的准确性。因此，根据本发明特别优选的实施方式，如图2的流程图所示，本发明的方法包括：
(a)获得初始氢气量M0；
(b)通过气体质量流量计获得氢气净流入量Mt；
(c)计算M0+Mt；
(d)根据压力或压力变化率判断氢气含量是否达零点或最大储氢量，如果达零点或最大储氢量，则以该零点或最大储氢量校正M0+Mt并以其作为初始氢气量M0重复步骤(a)-(c)，从而使后续计算的M0+Mt更准确，达到修正的目的；如果未达零点或最大储氢量，则继续通过气体质量流量计监测氢气净流入量Mt，通过Mt与初始氢气量的加和获得实时的氢气含量，从而实现即使在氢气含量达平台压力的情况下也能够较准确地获知储氢容器中的氢气含量。
也即，本发明监测方法的一种实施方式中，首先，通过连接储氢容器的气体质量流量计获得氢气的流量数据，对流量数据对时间积分即可得到一定时间内(t0至监测时间点t之间)氢气的净流入量，此净流入量即为储氢容器中氢气的变化量，加上储氢容器中原有氢气的量即得储氢容器中现有的氢气含量。在优选的实施方式中，设定储氢容器中氢气含量的零点和满容量点。规定在零点时储氢容器中氢气含量为零，在满容量点时储氢的容量是储氢容器的最大储氢量。零点和最大储氢量均可以根据金属储氢P-C-T曲线中的压力和/或压力变化率来确定。通过零点或者满容量点时对通过积分法计算获得的氢气含量进行修正，从而能够进一步确保计算得到的氢气含量的准确性。
根据本发明，在获得M0和/或Mt时，还可以考虑温度对流量的影响，例如，采用理想或非理想气体方程根据温度进行修正，这样最终得到的是标准状态下的氢气含量，准确性更高。
根据本发明，本发明的方法特别适用于测定平台压力(也即储氢容器中的压力不随氢气含量的变化而变化时所对应的氢气含量范围)下的氢气含量。一般地，以储氢容器和氢气的总重量为基准，储氢容器中的氢气含量在0.1-8重量％范围内。
根据本发明，所述金属材料(或金属储氢材料)可以为本领域常规使用的各种金属材料(包括金属合金)，优选情况下，所述金属材料为AB2型储氢材料(如Mg2Ni)、AB5型储氢材料(如LaNi5)、AB型储氢材料(如TiFe)和A2B型储氢材料(Mg2Ni)中的至少一种。
根据本发明，所述储氢容器可以为本领域常规的各种类型的含金属材料的储氢容器，特别是配合燃料电池使用的储氢容器，例如，所述储氢容器可以为车载式储氢容器或固定式储氢容器。
本发明中，含金属材料的储氢容器指各种使用了金属材料作为储氢材料的容器，包括金属储氢容器、或者金属储氢与高压储氢的混合储氢容器。
对于含金属材料的储氢容器，无论采用何种金属材料，典型P-C-T特征曲线与图1类似，均存在平台压力，而采用本发明的方法，在平台压力存在时，借助气体质量流量计获得氢气含量，从而实现了氢气含量的实时监测。同时，在非平台压力下检测得到的压力或压力变化率对借助气体质量流量计的计算结果进行修正，从而降低了累积误差，使测得的结果更准确。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种监测含金属材料的储氢容器中氢气含量的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)获得t0时储氢容器内的初始氢气量M0，并通过气体质量流量计获得t0至监测时间点t之间储氢容器内的氢气净流入量Mt，再计算M0+Mt而获得监测时间点t时储氢容器内的氢气含量；
(2)检测储氢容器内的压力并计算压力变化率，对M0+Mt进行修正，并以修正后的M0+Mt作为初始氢气量M0重复步骤(1)，从而连续监测氢气含量；
其中，步骤(2)中，当压力变化率显示储氢容器中的氢气含量达零点或最大储氢量时，以零点或最大储氢量为基准对M0+Mt进行修正。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，初始氢气量M0为零点或最大储氢量。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，零点或最大储氢量根据金属材料储氢P-C-T曲线中的压力和/或压力变化率确定。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，以储氢容器和氢气的总重量为基准，储氢容器中的氢气含量为0.1-8重量％。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述金属材料为AB2型储氢材料、AB5型储氢材料、AB型储氢材料和A2B型储氢材料中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述金属材料为Mg2Ni、LaNi5、TiFe和Mg2Ni中的至少一种。
7.根据权利要求1、5或6所述的方法，其中，所述储氢容器为车载式储氢容器或固定式储氢容器。
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